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​风电大变革即将来临

   日期:2019-08-19     来源:北极星风力发电网    浏览:2045    评论:0    
决定风力发电效率的关键是叶轮效率,如果能将风轮扭矩提高几倍?

对于风力发电来说将是一场革命。现有三叶片风力发电机的叶尖部分(如左下图),虽然仅占整体叶片长度的20%,但是它所产生的升力既可达到整体叶片的50%(杠杆原理)。假设将叶片全部变为多个只有几平方米的小叶尖,叶轮扭矩(根据轮径不同)至少提升100%以上。(如右下图)

(图1) 三叶片结构 (图2)全叶尖结构
 
通过以上两图对比:叶尖位置均在叶轮最边沿,但是叶尖面积及数量确倍增了。显而易见,叶轮扭矩自然也会倍增。这不是天方夜潭!实验机已经证实了这一设计可行性,轮径相同,扭矩倍增。

风轮结构:安装在主轴前端的两片碟状法兰,利用斜拉索交叉牵引V形轮缘内侧,形成轮体。然后将多个只有几平方米的小叶片(叶尖),均布在V形轮缘上,形成单支撑、水平轴、全叶尖叶轮。如:图3所示。


图3 全叶尖叶轮结构图 图3-1局部放大图

效率倍增的科学依据:全叶尖结构的轮缘周长是现有三叶片轮毂的几十倍,可设置叶片空间大、数量多(等于增加了动力)。同时叶片设置在轮缘上,距中心轴距离远(又等于延长了动力臂)。物理学杠杆定理是:动力×动力臂=阻力×阻力臂。

虽然全叶尖结构的叶轮风载比三叶片风轮大几倍,可靠性是毋庸置疑的。因为,全叶尖叶轮支撑结构是:法兰与轮缘之间是利用斜拉索(钢缆)以放射状交叉牵引的双支撑结构,是抗拉强度。而三叶片则是将叶根安装在轮毂上的单支撑结构,是抗弯曲强度。道理很简单,一根筷子可轻易掰断,要想拉断确很难,存在着天壤之别。用钢缆双支撑结构,取代了三叶片靠叶根和叶中的过渡支撑,叶轮可靠性大幅度提升。决定风力发电效率的关键是叶轮效率,应成为创新的主体。据说,额定功率14mw的叶轮轮径达到200多米。如果采用相同轮径的全叶尖叶轮,可靠性高,扭矩可提高100%以上,单机容量可突破30mw。单支撑的三叶片放大己接近极值,必须另辟蹊径。

变桨结构:设置在V形轮缘上的叶片具有双轴变桨功能。如:图3-1局部放大图所示其中,一轴调整叶片攻角,另一轴可使叶片与轮缘处于合二为一的闭合状态。叶片全部闭合时只有1~2厘米左右的(截面)厚度,叶轮基本上只是轮体框架。双轴变桨功能,实现了可根据空气密度、风速调整出力叶片多少,在启动风速、满负荷风速、与切岀风速之间大范围优化控制,可利用小时更长。适用于高风速及低风速多种风力发电场所。

图4

传动结构:如图4所示,主轴经过双轴承支撑,中间直驱一台永磁发电机,再利用主轴未端的内齿圈与外齿轮轴啮合。由于齿轮轴的齿数比内齿圈齿数少,因此,实现了传动扭距和增速的双重目的。只有全叶尖叶轮扭矩倍增及传动方式,才可以半直驱第二台发电机。实现了一个叶轮可同时直驱、半直驱两台发电机。从而解决了永磁直驱发电机机舱配重不均前倾、单一发电机极对多、体积大的问题。

偏航方式:根据滚动摩擦力与滚动体半径相关,(也是杠杆原理)釆用自驱式滚动轮偏航装置。

图5 偏航装置示意图

它改变了现有偏航轴承采用的内齿圈或外齿圈中间滚动体的结构,也改变了只能安装在塔筒最顶端,着力点集中的弊端。具体实施方案是:在塔筒上段的内、外壁上分别固定承重圈、限位圈,其中,带有驱动电机的滚动轮轮缘的下踏面在承重圈上滚动、滚动轮轮缘的上踏面在倒凹字形轨道内滚动并承载机架及之上载荷,所述滚动轮中间设置驱动电机。形象的比喻:承重圈如同轴承下圈,倒凹字形轨如同轴承上圈,多个可驱动的滚动轮如同滚动体。无需再用电动机齿轮轴与齿圈啮合的偏航方式。其中,塔筒与套筒之间的限位圈及限位轮、斜置限位轮等,将轴向、径向、倾覆力矩等综合载荷分解至上段塔筒内、外壁多处。具有稳定性好、工况要求低、造价低、载荷大的特点。

轴承解决方案:根据滚动摩擦力与接触面积大小无关,不管是点、线、面接触只跟滑动摩擦系数和正压力有关。因此,本专利主轴、从动轴,均釆用无滚动体的适应低速、重载、抗冲击、可调心的关节滑动轴承。关键在于:轴颈和轴瓦是在存油型轴承座内的润滑油中滑动。因滑动轴承没有滚动体和保持架,摩擦阻力小且不易产生高温。每转动一圈均有完整、足够的油膜厚度,(0.05mm-0.1mm)消除了轴颈与轴瓦两摩擦表面的直接接触,还具有吸振、低噪声、使用远远超出整机全生命周期。其中,变桨只需小型轴承。偏航釆用可自驱动滚动轮结构。全部解决了现有风机轴承使用中出现的难题。

图6:关节滑动轴承图片

塔架支撑结构:受,空中造楼机可将四、五千吨的自重、材料、塔吊等在内的载荷顶升至五、六百米高空的启发。本专利采用上塔筒、下筒架,双层支撑结构。(图7所示)其中,下层塔架:是由多根(至少三根)立柱形成,上层:单一塔筒,中间:升降平台所构成。升降平台可以搭载包括塔筒之上的整机,在地面吊装后自助升降。自助升降方案:包括以下步骤:步骤1:将升降平台预留口套入相对应的多根塔架立柱的底部基础,并完成升降平台之上的塔筒及整机吊装。步骤2:安装完第一节塔架立柱(或混凝土浇筑)后,利用长行程的液压缸逐级顶升至一定高度后,完成塔间连接及圈梁,再安装第二节塔架立柱。步骤3:反复循环至所需高度后,将升降平台紧固在最终一层塔间连接圈梁上。吊机只需在地面吊装上层塔筒及整机,大幅度降低了吊装高度,以顶升达到更高高度。为了方便大部件在全生命周期内更换维修,以及退役后拆除,下降步骤与顶升步骤相反。(图7所示)

自助升降最关键是升降平台之上的塔筒及整机稳固。因此,多种措施,保障了塔筒及整机稳固。可将整机顶升至目前吊机无法达到的高度。徦如:下层塔架高度是150米,上层塔筒上的轮毂高度110米,叶轮轮径200米,整机有望突破350米或更高。假如本发明人的设想可以实现,风电十三五规划的风机高度突破300~500米,单机容量突破15兆瓦以上的目标就能实现。

为了您合作的可靠性:经发明人书面同意,您可花很少的钱,先制作一个(全叶尖)小型简易实体叶轮或数字模拟。然后用扭矩测试仪与同等尺寸的三叶片叶轮进行对比,不比不知道,经过对比,您会深切的感受到它将改变风电历史、具有革命性。

图7:塔架支撑结构示意图
 
综上所述:通过全方位的结构创新,风机可靠性更高,单机容量更大,生命周期更长,整机造价、度电成本、运维成本更低。专利看什么?就是看结构!只有互联网、大数据、人工智能,与结构创新融为一体。(软硬件兼容)才能使我国风电技术领先世界。无论未来是竞价或平价上网,唯有创新才有立足之地。

寻求愿通过实施知识产权战略而求变革的合作伙伴。

发明人:戚胜基

手机:13066577306(微信同号)

邮箱:24147026@163.com 
 

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